Prístup k tepelnému manažmentu vysokovýkonných PCB

   Dizajnéri čelia zložitým problémom pri plnení požiadaviek na napájanie, ktoré zahŕňajú efektívne tepelné riadenie, počnúc návrhom PCB.

     Celý sektor výkonovej elektroniky, vrátane RF aplikácií a systémov zahŕňajúcich vysokorýchlostné signály, sa vyvíja smerom k riešeniam, ktoré ponúkajú čoraz komplexnejšie funkcie v čoraz menších priestoroch. Dizajnéri čelia čoraz náročnejším výzvam, aby splnili požiadavky na veľkosť, hmotnosť a výkon systému, ktoré zahŕňajú efektívne riadenie teploty, počnúc návrhom dosky s plošnými spojmi.

  Zariadenia s aktívnou energiou s vysokou integráciou, ako sú tranzistory MOSFET, môžu rozptýliť značné množstvo tepla, a preto vyžadujú dosky plošných spojov, ktoré dokážu prenášať teplo z najhorúcejších komponentov na zemné plochy alebo povrchy odvádzajúce teplo, pričom fungujú čo najefektívnejšie a najefektívnejšie. Tepelné namáhanie je jednou z hlavných príčin nefunkčnosti energetických zariadení, pretože vedie k zhoršeniu výkonu alebo dokonca k možnej poruche alebo poruche systému. Rýchly rast hustoty výkonu zariadení a neustále zvyšovanie frekvencií sú hlavné dôvody, ktoré spôsobujú nadmerné zahrievanie elektronických komponentov. Čoraz rozšírenejšie používanie polovodičov so zníženými energetickými stratami a lepšou tepelnou vodivosťou, ako sú materiály so širokou šírkou pásma, nie je samo osebe dostatočné na odstránenie potreby efektívneho tepelného manažmentu.

    Súčasné napájacie zariadenia na báze kremíka dosahujú teplotu prechodu medzi približne 125 °C a 200 °C. Vždy je však výhodnejšie prevádzkovať zariadenie pod touto hranicou, pretože by to viedlo k rýchlej degradácii zariadenia a zníženiu jeho zvyškovej životnosti. V skutočnosti sa odhaduje, že zvýšenie prevádzkovej teploty o 20˚C spôsobené nesprávnym tepelným manažmentom môže znížiť zvyškovú životnosť komponentov až o 50 percent.

Prístup k usporiadaniu:

  Prístup k tepelnému manažmentu, ktorý sa bežne používa v mnohých projektoch, je použitie substrátov so štandardným retardérom horenia úrovne 4 (FR-4), lacným a ľahko spracovateľným materiálom, ktorý sa zameriava na tepelnú optimalizáciu rozloženia okruhu.

Hlavné prijaté opatrenia sa týkajú zabezpečenia dodatočných medených povrchov, použitia stôp s väčšou hrúbkou a vloženia tepelných kanálov pod komponenty, ktoré generujú najväčšie množstvo tepla. Agresívnejšia technika, schopná rozptýliť väčšie množstvo tepla, zahŕňa vloženie do DPS alebo nanesenie skutočných medených blokov na vonkajšie vrstvy, zvyčajne v tvare mince (odtiaľ názov „medené mince“). Medené mince sú spracované oddelene a potom spájkované alebo pripevnené priamo k DPS, alebo môžu byť vložené do vnútorných vrstiev a spojené s vonkajšími vrstvami cez tepelné priechody. Obrázok 1 zobrazuje dosku plošných spojov, v ktorej bola vytvorená špeciálna dutina na uloženie medenej mince.

  Meď má koeficient tepelnej vodivosti 380 W/mK v porovnaní s 225 W/mK pre hliník a 0,3 W/mK pre FR-4. Meď je relatívne lacný kov a už sa bežne používa pri výrobe PCB; preto je ideálnou voľbou na výrobu medených mincí, tepelných priechodov a uzemňovacích plôch, čo sú všetky riešenia schopné zlepšiť odvod tepla.

   Správne umiestnenie aktívnych komponentov na doske je rozhodujúcim faktorom pri predchádzaní vzniku horúcich miest, čím sa zabezpečí čo najrovnomernejšie rozloženie tepla po celej doske. V tomto ohľade by aktívne zložky mali byť rozmiestnené v žiadnom konkrétnom poradí okolo PCB, aby sa zabránilo vytváraniu horúcich miest v špecifickej oblasti. Je však lepšie vyhnúť sa umiestneniu aktívnych komponentov, ktoré generujú značné množstvo tepla, blízko okrajov dosky. Naopak, mali by byť umiestnené čo najbližšie k stredu dosky, čím sa uprednostňuje rovnomerné rozloženie tepla. Ak je zariadenie s vysokým výkonom namontované v blízkosti okraja dosky, bude hromadiť teplo na okraji, čím sa zvýši miestna teplota. Ak je naopak umiestnená blízko stredu dosky, teplo sa bude rozptyľovať na povrchu všetkými smermi, čím sa teplota zníži a teplo sa ľahšie odvedie. Napájacie zariadenia by nemali byť umiestnené blízko citlivých komponentov a mali by byť od seba správne vzdialené.

Výber substrátu PCB:

Vzhľadom na nízku tepelnú vodivosť – medzi {{0}},2 až 0,5 W/mK – FR-4 nie je vo všeobecnosti vhodný pre aplikácie, v ktorých je potrebné odviesť veľké množstvo tepla. Teplo, ktoré sa môže hromadiť vo vysokovýkonných obvodoch, je značné, čo je umocnené skutočnosťou, že tieto systémy často pracujú v drsnom prostredí a extrémnych teplotách. Použitie alternatívneho materiálu substrátu s vyššou tepelnou vodivosťou môže byť lepšou voľbou ako použitie tradičného FR-4.

    Napríklad keramické materiály ponúkajú významné výhody pre tepelný manažment výkonných PCB. Okrem zlepšenej tepelnej vodivosti ponúkajú tieto materiály vynikajúce mechanické vlastnosti, ktoré pomáhajú kompenzovať napätie nahromadené pri opakovaných tepelných cykloch. Okrem toho majú keramické materiály nižšie dielektrické straty pracujúce pri frekvenciách do 10 GHz. Pre vyššie frekvencie je vždy možné zvoliť hybridné materiály (napríklad PTFE), ktoré ponúkajú rovnako nízke straty s miernym znížením tepelnej vodivosti.

Čím vyššia je tepelná vodivosť materiálu, tým rýchlejší je prenos tepla. Z toho vyplýva, že kovy ako hliník, okrem toho, že sú ľahšie ako keramika, ponúkajú vynikajúce riešenie na prenos tepla preč od komponentov. Najmä hliník je vynikajúci vodič, má vynikajúcu odolnosť, je recyklovateľný a je netoxický. Kovové vrstvy vďaka svojej vysokej tepelnej vodivosti napomáhajú rýchlemu prenosu tepla po celej doske. Niektorí výrobcovia tiež ponúkajú kovom potiahnuté PCB, pričom obe vonkajšie vrstvy sú pokovované, zvyčajne hliníkom alebo pozinkovanou meďou. Z hľadiska nákladov na jednotku hmotnosti je hliník najlepšou voľbou, zatiaľ čo meď ponúka vyššiu tepelnú vodivosť. Hliník sa široko používa na konštrukciu dosiek plošných spojov, ktoré podporujú vysokovýkonné LED diódy (príklad je znázornený na obrázku 2), v ktorých je tiež obzvlášť užitočný pre svoju schopnosť odrážať svetlo od substrátu.

   Kovové dosky plošných spojov, známe aj ako izolačné kovové substráty (IMS), je možné laminovať priamo do plošných spojov, výsledkom čoho je doska so substrátmi FR{0}} a kovovým jadrom s jednovrstvovou a dvojvrstvovou technológiou s riadením hĺbky smerovania, ktorý slúži na prenos tepla preč od komponentov na palube a do menej kritických oblastí. V doskách IMS PCB je medzi kovovou základňou a medenou fóliou nalaminovaná tenká vrstva tepelne vodivého, ale elektricky izolujúceho dielektrika. Medená fólia je vyleptaná do požadovaného vzoru obvodu a kovová základňa absorbuje teplo z tohto obvodu cez tenké dielektrikum.

Hlavné výhody, ktoré IMS PCB ponúkajú, sú nasledovné:

1. Rozptyl tepla je výrazne vyšší ako u štandardných FR-4 con pokyny.

2. Dielektriká sú typicky 5× až 10× tepelne vodivé ako bežné epoxidové sklo.

3. Tepelný prenos je exponenciálne efektívnejší ako pri bežnej DPS.

4. Okrem LED technológie (osvetlené nápisy, displeje a osvetlenie) sú dosky plošných spojov IMS široko používané v automobilovom priemysle (svetlomety, ovládanie motora a posilňovača riadenia), vo výkonovej elektronike (jednosmerné napájanie, meniče a riadenie motora) v spínačoch a v polovodičových relé.